ГРАНТ РФФИ

ГРАНТ РФФИ

НОМЕР ПРОЕКТА: 13-08-00678А

 

Руководитель проекта: Кисин Владимир Владимирович

Исполнители:

Бородина Ирина Анатольевна

Галушка Виктор Владимирович

Зайцев Борис Давыдович

Кузнецова Ирен Евгеньевна

Симаков Вячеслав Владимирович

Синёв Илья Владимирович

Скапцов Александр Александрович

Смирнов Андрей Владимирович

Шихабудинов Александр Магомедович

Название проекта: Композиционные материалы и покрытия на основе смесей тяжелых микро и наночастиц с полимером и их свойства при знакопеременных деформациях в поле ультразвуковой волны.

Результаты 2013 года.

Выполнен основной объем работ по созданию технологии формирования образцов композиционных материалов и покрытий на основе смесей тяжелых частиц микронных и субмикронных размеров  с полимером. В качестве основной технологии измельчения частиц и смешивания разных фракций выбран совместный помол в разных режимах исходных материалов в шаровой микро мельнице. Компактирование материала проводилось двумя способами. Объемные образцы формировались   горячим прессованием в вакууме. Покрытия наносились через маску методом пульверизации  суспензии исходных материалов в четыреххлористом углероде и смеси четыреххлористого углерода с ацетоном. Покрытия подвергались обработке в водородной плазме высокочастотного разряда при одновременном контроле энергии бомбардирующих протонов зондовым методом. Получены новые данные о влиянии механического измельчения и гранулометрического состава полимерных и неорганических частиц на температуры размягчения, перехода в вязкотекучее состояние, деструкцию материала, а также плотность и пористость компактированного материала, скорость распространения в нем и затухание ультразвуковых волн. Создан задел для практического применения получаемых знаний в мультисенсорной системе распознавания смесей веществ сложного состава. Получены данные по распознаванию запаха изоляции нагретых электрических проводов с помощью мультисенсорной микросистемы.

Полученные в 2013 году важнейшие результаты.

Установлено влияние наполнителя на реологические характеристики смеси полимера (полистирол) и тяжелых микрочастиц (вольфрам или пьезокерамика), на основе чего найдены условия формирования плотных покрытий и объемных образцов композиционных материалов.  Показано, что вид зависимости механических свойств материала, в том числе затухания, скорости распространения звуковых волн и акустического импеданса, от содержания в полимерной матрице тяжелых частиц меняется, если в матрицу вводятся частицы разных размеров. Эффект становится более ярко выраженным при содержании наполнителя в районе 10% и при большом (более 40%) содержании тяжелых частиц в полимерной матрице. Обработка покрытий в водородосодержащей плазме высокочастотного разряда с энергией бомбардировки 20 – 40 эВ влияет на свойства композитного покрытия, что может найти практическое применение для управления акустическими свойствами покрытий - формирования материала как для согласующих, так и для поглощающих покрытий. На основе предложенных модельных представлений о металл полимерном композите как о среде связных точечных осцилляторов с потерями на границе раздела фаз микрочастица – полимер сформулирована рабочая гипотеза о разрыве и восстановлении в поле ультразвуковой волны связей полимера с нарушенной механической обработкой поверхностью микрочастицы, в соответствии с которой одновременное введение в состав композиционного материала тяжелых частиц, отличающихся размером (микронных и субмикронных) и морфологией, позволяет раздельно управлять потерями (эффективной вязкостью) и величиной реальной части акустического импеданса. Выполнены расчеты условий эксперимента по проверке выдвинутых гипотез. Определены требования к металл полимерным покрытиям акустоэлектронных сенсоров химических и биологических веществ и мультисенсорных систем на их основе. Теоретический анализ и предварительные эксперименты показали возможность управления с помощью демпфирующих покрытий на основе композиционного материала, содержащего тяжелые частицы разного размера и морфологии в полимерной матрице, параметрами пьезоэлектрических резонаторов с поперечным электрическим полем для биосенсоров. Показана перспективность применения ожидаемых результатов проекта для систем раннего обнаружения и регистрации истории возгорания электрических соединений в аппаратах, работающих в автономном режиме (получены данные по распознаванию запаха изоляции нагретых электрических проводов с помощью мультисенсорной микросистемы на основе металлоксидных резисторов).

Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем

Композиционные материалы на основе смеси тяжелых частиц с полимерами являются в последние десятилетия предметом интенсивных исследований и новых технических решений (Multilayer backing absorber for ultrasonic transducer. M. Toda, M. Thompson, US Patent 8,570,837; Piezopolymer transducer with matching layer. D. Vilkomerson; T. Chilipka. US Patent 8,564,177; Ultrasonic attenuation materials. Oakley , et al. US Patent 8,556,030; Tungsten-high molecular polymer composite material and preparation process therefor. Zhao Guozhang, Song Jiupeng, Yang Fumin, Lai Yazhou, Yu Yang, Zhuang Zhigang. Patent WO2013107096 (A1)). Одной из причин такого интереса является возможность применения полимерсодержащих композитов в пьезоэлектрических устройствах в качестве слоев, акустическими свойствами которых можно управлять путем изменения их состава и связности. При этом разрабатывается как возможность формирования так называемых "легких" материалов с акустическим импедансом 2,5-3,5 МПа с/м, так и "тяжелых" композитов с акустическим импедансом до 25 МПа с/м (State M., Brands P.J., van de Vosse F.N., Improving the thermal dimensional stability of flexible polymer composite backing materials for ultrasound transducers, “Ultrasonics”, 2010, Vol. 50, P. 458-466). Интересные результаты получены при исследовании процесса самоорганизации кластеров в полимерах после ионной имплантации в них металлов (V.N. Popok, Ion implantation of polymers: formation of nanoparticulate materials, “Review on Advanced Materials Science”, 2012, Vol. 30, P. 1-26.). Одно из важных направлений исследований материалов на основе смеси полимера с частицами металла или пьезокерамики связано с необходимостью научного обеспечения решения задач создания активных (излучатели, приемники, наноманипуляторы…) и пассивных (согласующие слои, поглотители, линзы...) материалов пьезоэлектрических преобразователей, в том числе, сенсоров и мультисенсорных систем, открывающими новые перспективы перед техническими системами для химического и биологического экспресс анализа ( S. Pramanik, B. Pingguan-Murphy, Noor Azuan Abu Osman. Developments of Immobilized Surface Modified Piezoelectric Crystal Biosensors for Advanced Applications. Review. Int. J. Electrochem. Sci., 8 (2013), p. 8863 – 8892; I. Katardjiev, V. Yantchev. Recent developments in thin film electro-acoustic technology for biosensor applications. Vacuum. Vol. 86, Iss. 5, 2012, p. 520–531), контроля качества продукции (T.S. Awad, H.A. Moharram, O.E. Shaltout, D. Asker, M.M. Youssef. Applications of ultrasound in analysis, processing and quality control of food: A review Food Research International, 48 (2), p.410-427, Oct 2012), антитеррористической и противопожарной безопасности (Фёдоров А.В., Членов А.Н., Лукьянченко А.А. и др. Системы и технические средства раннего обнаружения пожара: Монография. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. 158 с.; Hoefer U., Gutmachera D., Wollenstein J. Gas sensor technologies for fire detection// Sensors and Actuators B: Chemical. 2012. Vol. 175. P. 40-45; Paczkowska S., Paczkowska M., Dippela S. et al. The olfaction of a fire beetle leads to new concepts for early fire warning systems// Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. Vol. 183. P. 273-282.).

В частности, при создании матриц пьезоэлектрических сенсоров химических и биологических веществ, актуальной является минимизация взаимных помех между соседними приборами в матрице. Особенно в свете возможности создания матрицы тонкопленочных электроакустических систем на основе новых принципов и технологий (Я.С. Гринберг, Ю.А. Пашкин, Е.В. Ильичёв. Наномеханические резонаторы. УФН, 2012, т. 182, №4. с. 407–436). Существующие подходы к решению этой проблемы включают (Winters S., Bernhardt G., Vetelino J.F., A Dual Lateral-Field-Excited Bulk Acoustic Wave Sensor Array, “IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control”, 2013, Vol. 60, No. 3, P. 573-578.) тщательность изготовления плоскопараллельных элементов структуры, использование мезаструктур и искусственно индуцированного двойникования подложки, создание акустически изолированных областей с помощью щелевидных канавок на поверхности. Полученные в ходе выполнения проекта результаты находятся в русле этих инновационных решений и позволяют предположить перспективность использования новых знаний о распространении и затухании ультразвуковых волн в металл полимерных композитах с полидисперсным наполнителем для подавления акустической связи между элементами мультисенсорной системы.

Публикации по проекту.

 

Монографии:

1.     Kuznetsova I.E. Characterization of mechanical and electrical properties of nanocomposites/ I.E. Kuznetsova, B.D. Zaitsev, A.M. Shikhabudinov// Polymer Composites, ed.by Thomas et.al.- 2013.- том 2,№7.- С. 163-184.

Статьи в научных изданиях:

Опубликовано:

2.     Никитина Л.В. Применение электродов на основе высокодисперсного электрода и твердого электролита для электрохимических накопителей заряда/ Л.В. Никитина В.В. Симаков, Е.В. Колоколова// Научное обозрение.- №4.- С.199-203.

3.     Влияние термоциклирования на воспроизводимость температурной зависимости проводимости наноструктурированных плёнок SnO2/ А. В. Смирнов,   И.В. Синёв, А.И. Гребенников, В.В. Симаков// Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - Вып. 5. - С. 296-300.

4. The acoustic method of the noncontact determination of thin films conductivity/ I.E. Kuznetsova, B.D.         Zaitsev, V.I Anisimkin et al.// Proceedings of 2013 IEEE Jopint UFFC, EFTF,and PFM Symposium, 21-25 July, Prague, Czehc Republic.- P.1594-1597.
5. The Effect of External Magnetic Field on the Acoustic Properties of Magnetic Elastomers/ I. E. Kuznetsova, B.D. Zaitsev, A. M. Shikhabudinov et al.// Proceedings of 2013 IEEE Jopint UFFC, EFTF,and PFM Symposium, 21-25 July, Prague, Czehc Republic.- P.492-495.

Принято в печать:

6. The study of piezoelectric Lateral-electric-field-exited resonator/ B. D. Zaitsev, I.E. Kuznetsova, A.M. Shikhabudinov et al. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control. - №3. - 2014.

7.     Отклик газочувствительной микросистемы на запах перегретой изоляции электрического кабеля/ А. В. Смирнов, А.И. Гребенников, А.Н. Грибов и др. //Нано- и микросистемная техника.- №2. - 2014.

8.     Влияние предварительного нагрева на распознавательную способность микросистемы/ И.В. Синёв, А. В. Смирнов,  А.И. Гребенников и др. // Нано- и микросистемная техника. - №3. - 2014.

Тезисы докладов конференций:

9.     Влияние предварительного циклического изменения температуры на распознавание тонкоплёночными полупроводниковыми сенсорами наличия примеси паров аммиака в воздухе/ И.В. Синёв, А.В. Смирнов, А.И. Гребенников и др.// Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции молодых учёных "Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика" (Саратов, 3-5 сентября 2013 г.). - 2013. - C.209-210.

10.   Влияние газовыделения изоляции электрических проводов на отклик мультисенсорной микросистемы на основе тонкой пленки диоксида олова/ А.В. Смирнов, И.В. Синёв,  В.В. Кисин и др.// Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции молодых учёных "Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика" (Саратов, 3-5 сентября 2013 г.). - 2013. - C.211-212.

11. Gydroacoustic emmiter/receiver based on A0 Lamb wave in piezoelectric structure/ I.E. Kuznetsova, B.D. Zaitsev, A.M. Shikhabudinov// Proceedings of 23nd International Crimean Conference “Microwave and Telecomm. Technol.” 2013. - P. - 1024-1025.